JP2015533983A - Time-varying spark current to improve spark plug performance and durability - Google Patents

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プロメテウス アプライド テクノロジーズ,エルエルシー
プロメテウス アプライド テクノロジーズ,エルエルシー
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Abstract

ある実施形態において、時変スパーク電流点火システムは、従来のスパーク点火システムと比較して、スパークプラグの点火性能及び耐久性を改善するために適用され得る。2つの興味のある性能パラメータは、スパークプラグ寿命(耐久性)及びスパークプラグ点火性である。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、火炎核が電極ギャップ内を移動している間に火炎核の消炎を引き起こさずに、できるだけ低いスパーク電流振幅を印加することによって、及び/又は、スパーク/火炎核がスパークプラグギャップを通過できるようにするほど十分に長い期間のスパーク電流を印加することによって、延ばすことができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために、十分に高いスパーク電流振幅を印加することによって、及び/又は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するほど長い間スパーク電流を印加することによって、改善することができる。【選択図】なしIn certain embodiments, a time-varying spark current ignition system may be applied to improve spark plug ignition performance and durability as compared to conventional spark ignition systems. Two performance parameters of interest are spark plug life (durability) and spark plug ignitability. In certain embodiments, the spark plug life is achieved by applying as low a spark current amplitude as possible without causing the flame core to extinguish while the flame kernel is moving through the electrode gap and / or spark / flame. This can be extended by applying a sufficiently long period of spark current to allow the nucleus to pass through the spark plug gap. In certain embodiments, the ignitability is achieved by applying a sufficiently high spark current amplitude to hold the flame kernel once outside the spark plug gap and / or once the flame kernel outside the spark plug gap. This can be improved by applying a spark current for a longer period of time. [Selection figure] None

Description

本出願は、2012年9月17日に出願された「スパークプラグ性能及び耐久性を改善する時変スパーク電流量(Time-varying Spark Current Magnitude to Improve Spark Plug Performance and Durability)」の発明の名称の米国特許出願第61/702,036号の優先権を主張し、かつ、(1)2013年9月6日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室(Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines)」の発明の名称の米国特許出願第14/020,770号及び2013年9月6日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室(Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines)」の発明の名称の国際特許出願PCT/US13/58635号(両出願は、2012年9月6日に出願された「大口径ガス機関用の二段階予燃焼室(Two-stage precombustion chamber for large bore gas engines)」の発明の名称の米国特許出願第61/697,628号の優先権を主張する)と、(2)2012年9月1日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置(Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines)」の発明の名称の米国特許出願第13/602,148号、及び2012年9月1日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置(Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines)」の発明の名称の国際特許出願PCT/US2012/53568号(両出願は、2011年9月3日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置(Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines)」の発明の名称の米国特許出願第61/573,290号の優先権を主張する)と、(3)2013年6月25日に出願された「予燃焼室点火システム(Prechamber Ignition System)」の発明の名称の米国特許出願第13/997,680号(米国特許出願第13/997,680号は、2011年12月30日に出願された「予燃焼室点火システム(Prechamber Ignition System)」の発明の名称の国際特許出願PCT/US2011/002012号の優先権を主張し、その国際特許出願は、2010年12月31日に出願された「高効率跳飛効果受動燃焼室スパークプラグ(High efficiency ricochet effect passive chamber spark plug)」の発明の名称の米国特許出願第61/460,337号の優先権を主張する)と、(4)2013年3月12日に出願された「活性排気予燃焼室(Active Scavenge Prechamber)」の発明の名称の米国特許出願第61/778,266号と、に関する。前述の特許出願のそれぞれにおける全体が、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。   This application is the name of the invention entitled “Time-varying Spark Current Magnitude to Improve Spark Plug Performance and Durability” filed on September 17, 2012. Claimed priority of US Patent Application No. 61 / 702,036, and (1) “Two-stage precombustion chamber for large diameter gas engines, filed on September 6, 2013. US Patent Application No. 14 / 020,770 entitled "for large bore gas engines" and "Two-stage precombustion for large bore gas engines" filed on September 6, 2013 International patent application PCT / US13 / 58635 entitled “chamber for large bore gas engines” (both applications are “two-stage pre-combustion chambers for large-diameter gas engines” filed on September 6, 2012). Two-stage precombustion cham ber for large bore gas engines), which claims the priority of US patent application 61 / 697,628, entitled "ber for large bore gas engines)" and (2) "gas engine applications" filed on September 1, 2012 Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines ” US patent application Ser. No. 13 / 602,148, filed on Sep. 1, 2012, entitled “High power flame jet with reduced extinction and self-ignition in pre-combustion chamber spark plugs for gas engines” Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines " International patent application PCT / US2012 / 53568 (both applications were filed on September 3, 2011, “High-power flame jets were reduced while reducing extinction and self-ignition in pre-combustion chamber spark plugs for gas engines. US Patent Application No. 61 / 573,290 entitled “Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines”. (3) U.S. Patent Application No. 13 / 997,680 entitled "Prechamber Ignition System" filed on June 25, 2013 (U.S. Patent Application No. No. 13 / 997,680 is an international patent issued under the name of the invention of “Prechamber Ignition System” filed on December 30, 2011. PCT / US2011 / 002012 claims priority and its international patent application was filed on December 31, 2010, “High efficiency ricochet effect passive chamber spark plug”. Claiming priority of US patent application No. 61 / 460,337 in the name of the invention) and (4) “Active Scavenge Prechamber” filed on March 12, 2013. No. 61 / 778,266 in the name of the present invention. The entirety of each of the aforementioned patent applications is hereby incorporated by reference in its entirety.

本開示は、概して、スパークプラグ性能及び耐久性を改善するために、スパーク電流を経時的に変化させるためのシステム及び方法に関する。   The present disclosure relates generally to systems and methods for changing spark current over time to improve spark plug performance and durability.

工業用スパークプラグのメーカによって利用される様々な異なる電極ギャップ型が存在する。より良好な点火性(より少ない消炎)を主張するものもあり、改善された耐久性(プラグ寿命)を主張するものもある。多くの高エネルギーシステムが、点火要件を満たし得るが、この性能を達成するための設計トレードオフは、スパークプラグ寿命に否定的な影響を有する可能性がある。   There are a variety of different electrode gap types utilized by industrial spark plug manufacturers. Some claim better ignitability (less flame extinction) and others claim improved durability (plug life). Many high energy systems can meet the ignition requirements, but design tradeoffs to achieve this performance can have a negative impact on spark plug life.

前述の欠陥に取り組む必要性が当該技術分野には存在する。   There is a need in the art to address the aforementioned deficiencies.

図1a〜図1cは、ある実施形態に従って、小さな表面積対体積率を備えたスパークプラグにおける例示的なMSP(マルチトーチスパークプラグ)型スパークギャップを示す。FIGS. 1 a-1 c illustrate an exemplary MSP (multi-torch spark plug) type spark gap in a spark plug with a small surface area to volume ratio, according to an embodiment. 図2a〜図2cは、ある実施形態に従って、小さな表面積対体積率を備えた例示的な二重バー型スパークプラグを示す。2a-2c show an exemplary double bar spark plug with a small surface area to volume ratio, according to an embodiment. 図3a〜図3cは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な環状型スパークプラグを示す。3a-3c illustrate an exemplary annular spark plug with a large surface area to volume ratio, according to an embodiment. 図4a〜図4cは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な環状型スパークプラグを示す。4a-4c show an exemplary annular spark plug with a large surface area to volume ratio, according to an embodiment. 図5a〜図5cは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えた例示的な3プロング型スパークプラグを示す。5a-5c show an exemplary three-prong spark plug with a large surface area to volume ratio, according to an embodiment. 図6は、ある実施形態に従って、例示的なスパークプラグギャップ設計用の火炎核成長シーケンスを示す。FIG. 6 illustrates a flame kernel growth sequence for an exemplary spark plug gap design, according to an embodiment. 図7aは、ある実施形態に従って、例示的な3プロング型スパークプラグを示す。図7bは、ある実施形態に従って、2つの異なるギャップサイズ0.010”及び0.016”を備えた図7aのスパークプラグ型用の火炎核成長シーケンスを示す。FIG. 7a shows an exemplary three-prong spark plug, according to an embodiment. FIG. 7b shows a flame kernel growth sequence for the spark plug type of FIG. 7a with two different gap sizes 0.010 "and 0.016" according to an embodiment. 図8は、ある実施形態に従って、2つの異なるギャップサイズ0.010”及び0.016”を備えた図7aのスパークプラグ型用の火炎核成長シーケンスを示す。FIG. 8 shows a flame kernel growth sequence for the spark plug type of FIG. 7a with two different gap sizes 0.010 "and 0.016" according to an embodiment. 図9は、ある実施形態に従って、典型的なCPU95(低エネルギー)スパーク放電波形を示す。FIG. 9 illustrates a typical CPU 95 (low energy) spark discharge waveform according to an embodiment. 図10は、ある実施形態に従って、3プロングスパークプラグのフローフィールド分析を示す。FIG. 10 illustrates a flow field analysis of a three prong spark plug according to an embodiment. 図11は、ある実施形態に従って、3プロングスパークプラグのλ分布を示す。FIG. 11 shows the λ distribution of a three prong spark plug, according to an embodiment. 図12は、ある実施形態に従って、DEIS高エネルギースパーク最適化波形を示す。FIG. 12 illustrates a DEIS high energy spark optimization waveform according to an embodiment. 図13は、ある実施形態に従って時変電流を示す。FIG. 13 illustrates a time varying current according to an embodiment. 図14a〜図14bは、かなり減少するスパーク電流を有する従来の点火システムを示す。Figures 14a-14b show a conventional ignition system with a significantly reduced spark current. 図15は、ある実施形態に従って、時変スパーク電流点火システム及び結果としてのスパーク移動を示す。FIG. 15 illustrates a time-varying spark current ignition system and resulting spark movement, according to an embodiment. 図16は、ある実施形態に従って、時変スパーク電流を用いた火炎核成長を示す。FIG. 16 illustrates flame kernel growth using a time-varying spark current according to an embodiment. 図17は、ある実施形態に従って、従来のスパーク放電を用いた火炎核成長を示す。FIG. 17 illustrates flame kernel growth using a conventional spark discharge, according to an embodiment. 図18は、従来のスパーク電流を用いるある実施形態に従って、時変スパーク電流及び従来のスパーク電流を用いる燃焼圧力曲線を比較するチャートを示す。FIG. 18 shows a chart comparing combustion pressure curves using time-varying spark current and conventional spark current, according to one embodiment using conventional spark current. 図19は、時変スパーク電流及び従来のスパーク電流を比較してスパーク破壊電圧対スパークプラグ耐久性を示す。FIG. 19 shows spark breakdown voltage versus spark plug durability comparing time-varying spark current and conventional spark current. 図20a〜図20cは、ある実施形態に従って、大きな表面積対体積率を備えたスパークギャップの例を示す。20a-20c show examples of spark gaps with a large surface area to volume ratio, according to an embodiment.

ある実施形態において、スパーク電流を変化させる方法であって、1以上の電極ギャップを形成するために、主電極及び主電極からオフセットされた1以上の接地電極を含むスパークプラグを提供することと、内燃機関の燃焼室内に主電極及び1以上の接地電極を配置するようにスパークプラグを配置することと、1以上の電極ギャップを通して燃料空気混合気のフローを導入することと、燃料空気混合気を点火するために、1以上の電極ギャップの少なくとも1つにわたってスパーク電流を導入することと、スパークチャネルを成長させるためにスパーク電流を増加させることと、を含む方法が開示される。スパーク電流を増加させるステップは、スパーク電流を漸進的に増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、スパーク移動の増加率とほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいてスパーク電流を増加させることを含んでもよい。フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、1以上の電極ギャップの少なくとも1つの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で、スパーク電流を増加させることを含んでもよい。主電極及び1以上の接地電極は、約3.0mm−1より大きな電極表面積対電極ギャップ体積率を定義してもよい。1以上の電極ギャップは、燃料空気混合気のほぼ均一なフローを含んでもよい。ほぼ均一なフローは、約3m/sの最低速度を有してもよい。方法は、電極表面温度を判定すること、及び電極表面温度に応じてスパーク電流量を調整することをさらに含んでもよい。方法は、燃焼室における圧力増加を判定すること、及び圧力増加が所定の閾値を超える場合にスパーク電流の印加を打ち切ることをさらに含んでもよい。方法は、電極ギャップにおける火炎核成長を判定すること、火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、スパーク電流の印加を打ち切ることをさらに含んでもよい。スパーク電流を増加させるステップは、約150mA未満の開始から約150mAを超えるまでスパーク電流を増加させること、1以上の電極ギャップにおいて約3m/s未満のフロー速度を生成することを含んでもよく、1以上の電極ギャップは、約3mm−1より大きな表面積対体積率を含む。 In one embodiment, a method of changing a spark current, comprising providing a spark plug including a main electrode and one or more ground electrodes offset from the main electrode to form one or more electrode gaps; Disposing a spark plug to dispose a main electrode and one or more grounded electrodes in a combustion chamber of an internal combustion engine, introducing a flow of fuel / air mixture through one or more electrode gaps; Disclosed is a method including introducing a spark current across at least one of the one or more electrode gaps to ignite and increasing the spark current to grow a spark channel. Increasing the spark current may include gradually increasing the spark current. Increasing the spark current may include increasing the spark current at a rate that is approximately proportional to the rate of increase of the spark movement. Increasing the spark current may include increasing the spark current based at least in part on the flow characteristics of the fuel-air mixture. The flow characteristic may include a variation in flow momentum. Increasing the spark current may include increasing the spark current at a rate approximately proportional to the increase in flow momentum. Increasing the spark current may include increasing the spark current based at least in part on at least one geometric characteristic of the one or more electrode gaps. Increasing the spark current may include increasing the spark current over a distance traveled by the spark channel at a ratio approximately proportional to the variation of the electrode gap surface area to volume ratio. The main electrode and the one or more ground electrodes may define an electrode surface area to electrode gap volume ratio greater than about 3.0 mm −1 . The one or more electrode gaps may include a substantially uniform flow of the fuel air mixture. The substantially uniform flow may have a minimum speed of about 3 m / s. The method may further include determining the electrode surface temperature and adjusting the amount of spark current in response to the electrode surface temperature. The method may further include determining an increase in pressure in the combustion chamber and aborting the application of the spark current if the increase in pressure exceeds a predetermined threshold. The method may further include determining flame nucleation in the electrode gap and aborting the application of the spark current if the flame nucleation exceeds a predetermined threshold. Increasing the spark current may include increasing the spark current from an onset of less than about 150 mA to greater than about 150 mA, producing a flow rate of less than about 3 m / s at one or more electrode gaps. The above electrode gap includes a surface area to volume ratio greater than about 3 mm −1 .

ある実施形態において、予燃焼室スパークプラグであって、予燃焼室容積を囲む外面及び内面と、予燃焼室容積に燃料空気混合気を導入するための、外面と内面との間を通じる1以上の孔部と、予燃焼室容積内に配置された主電極と、1以上の電極ギャップにわたって時変スパーク電流を導入するように構成された1以上の電極ギャップを形成するために、予燃焼室容積内に配置され、かつ、主電極からオフセットされた1以上の接地電極と、を含む予燃焼室スパークプラグが開示される。時変スパーク電流は、漸進的に増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、空気又は燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含んでもよい。フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよい。時変スパーク電流は、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、電極スパークギャップの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含んでもよい。時変スパーク電流は、スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で増加してもよい。主電極及び1以上の接地電極は、約3.0mm−1より大きな電極ギャップ表面積対体積率を定義してもよい。予燃焼室スパークプラグは、1以上の電極スパークギャップを通るほぼ均一な燃料空気混合気フローをさらに含んでもよい。ほぼ均一なフローは、約3m/sの最低速度を有してもよい。時変スパーク電流は、1以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気フローの速度の大きさに少なくとも部分的に基づく時間、及び電極ギャップ表面積対体積率と共に変化してもよい。時変スパーク電流は、約150mA未満で始まっても良く、且つ約150mA超、1以上の電極ギャップにおける約3m/s未満のフロー速度、及び3mm−1を超える電極ギャップ表面積対体積率で終了してもよい。時変スパーク電流量は、電極表面温度に応じて調整されてもよい。スパーク電流は、圧力増加が所定の閾値を超える場合に、打ち切られるように構成されてもよい。スパーク電流は、火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、打ち切られるように構成されてもよい。 In one embodiment, a pre-combustion chamber spark plug, the outer surface and the inner surface surrounding the pre-combustion chamber volume, and one or more between the outer surface and the inner surface for introducing a fuel air mixture into the pre-combustion chamber volume A pre-combustion chamber, a main electrode disposed within the pre-combustion chamber volume, and one or more electrode gaps configured to introduce a time-varying spark current across the one or more electrode gaps. A precombustion chamber spark plug is disclosed that includes one or more ground electrodes disposed within the volume and offset from the main electrode. The time-varying spark current may include a gradually increasing spark current. The time-varying spark current may include a spark current that increases at a rate approximately proportional to the rate of increase of spark movement. The time-varying spark current may include a spark current that increases based at least in part on the flow characteristics of the air or fuel-air mixture. The flow characteristic may include a variation in flow momentum. The time-varying spark current may include a spark current that increases at a rate approximately proportional to the increase in flow momentum. The time-varying spark current may include a spark current that increases based at least in part on the geometric characteristics of the electrode spark gap. The time-varying spark current may increase over a distance traveled by the spark channel at a rate approximately proportional to the variation in electrode gap surface area to volume fraction. The main electrode and the one or more ground electrodes may define an electrode gap surface area to volume ratio greater than about 3.0 mm −1 . The precombustion chamber spark plug may further include a substantially uniform fuel air mixture flow through one or more electrode spark gaps. The substantially uniform flow may have a minimum speed of about 3 m / s. The time-varying spark current may vary with time based at least in part on the magnitude of the velocity of the fuel-air mixture flow through one or more electrode gaps, and the electrode gap surface area to volume ratio. The time-varying spark current may begin at less than about 150 mA and terminate with a flow rate greater than about 150 mA, less than about 3 m / s at one or more electrode gaps, and an electrode gap surface area to volume ratio greater than 3 mm −1. May be. The time-varying spark current amount may be adjusted according to the electrode surface temperature. The spark current may be configured to be aborted when the pressure increase exceeds a predetermined threshold. The spark current may be configured to be aborted when flame kernel growth exceeds a predetermined threshold.

本出願のために、「漸進的に」は、電流量増加率が、フロー運動量に起因するスパーク移動増加率に比例することを意味し、フロー運動量は、スパークに作用するフロー質量密度×フロー速度として定義されてもよい。例えば、限定するわけではないが、スパーク移動率が一定である場合に、電流量の増加は、ゼロであってもよい。例えば、限定するわけではないが、スパーク移動率が2倍になる場合に、電流量もまた2倍になってもよい。   For the purposes of this application, “gradually” means that the rate of increase in current is proportional to the rate of increase in spark movement due to flow momentum, where flow momentum is the flow mass density acting on the spark × flow velocity. May be defined as For example, but not limited to, the increase in the amount of current may be zero when the spark movement rate is constant. For example, but not limited to, when the spark transfer rate is doubled, the amount of current may also be doubled.

ある実施形態において、フロー特性は、フロー運動量における変動を含んでもよく、フロー運動量は、フロー質量密度×フロー速度として定義されてもよい。ある実施形態において、スパーク電流量における増加は、フロー運動量の増加に比例してもよい。例えば、限定するわけではないが、フロー運動量が一定である場合に、電流量もまた一定であってもよい。例えば、限定するわけではないが、フロー運動量が2倍になる場合に、電流量もまた2倍になってもよい。   In certain embodiments, the flow characteristics may include variations in flow momentum, which may be defined as flow mass density × flow velocity. In certain embodiments, the increase in the amount of spark current may be proportional to the increase in flow momentum. For example, but not limited to, if the flow momentum is constant, the amount of current may also be constant. For example, but not limited to, if the flow momentum is doubled, the amount of current may also be doubled.

ある実施形態において、幾何学的特性は、限定するわけではないが、スパークが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動を含んでもよい。ある実施形態において、スパーク電流の増加は、スパークが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動に比例してもよい。例えば、限定するわけではないが、表面積対体積率が、スパークが移動する距離の全体を通して一定である場合に、電流量の増加は、ゼロであってもよい。例えば、限定するわけではないが、表面積対体積率が、スパークが移動する距離にわたって2倍になる場合に、電流量もまた2倍になってもよい。   In certain embodiments, the geometric properties may include, but are not limited to, variations in electrode gap surface area to volume fraction over the distance traveled by the spark. In certain embodiments, the increase in spark current may be proportional to the variation in electrode gap surface area to volume ratio over the distance traveled by the spark. For example, without limitation, the increase in the amount of current may be zero if the surface area to volume ratio is constant throughout the distance traveled by the spark. For example, but not by way of limitation, if the surface area to volume ratio doubles over the distance traveled by the spark, the amount of current may also double.

ある実施形態において、スパークプラグ性能は、従来のスパークプラグ設計と比較して性能及び耐久性を改善するために、時変スパーク電流を印加することによって改善することができる。興味のある2つの性能パラメータは、スパークプラグ寿命及びスパークプラグ点火性である。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、火炎核がスパークプラグギャップ内を移動している間に、火炎核の消炎を引き起こさずに、できるだけ低いスパーク電流振幅を印加することによって延ばすことができる。ある実施形態において、スパークプラグ寿命は、スパーク/火炎核がスパークプラグギャップを通過できるようにする十分に長い期間のスパーク電流を印加することによって、延ばすことができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために十分に高いスパーク電流振幅を印加することによって改善することができる。ある実施形態において、点火性は、スパークプラグギャップの外部で火炎核を一度保持するために十分に長い期間にわたってスパーク電流を印加することによって、改善することができる。   In certain embodiments, spark plug performance can be improved by applying a time-varying spark current to improve performance and durability as compared to conventional spark plug designs. Two performance parameters of interest are spark plug life and spark plug ignitability. In some embodiments, the spark plug life can be extended by applying as low a spark current amplitude as possible without causing the flame kernel to extinguish while the flame kernel is moving through the spark plug gap. In certain embodiments, the spark plug life can be extended by applying a sufficiently long period of spark current to allow the spark / flame core to pass through the spark plug gap. In certain embodiments, ignitability can be improved by applying a sufficiently high spark current amplitude to hold the flame kernel once outside the spark plug gap. In certain embodiments, ignitability can be improved by applying a spark current for a time period long enough to hold the flame kernel once outside the spark plug gap.

ある実施形態において、電極形状にかかわらず、点火性に影響する重要な要因は、表面積対体積率(S/V)であり、それは、電極表面積と前記表面間に制限されるギャップ体積との間の比率として定義される。ある実施形態において、同じ火炎核サイズに関し、電極の表面に対する熱損失は、表面のサイズと比例して増加する。以下は、電極ギャップ、それらのS/V、及びそれらが結局はどのように火炎核伝搬に影響するかの幾つかの例である。ある実施形態において、S/Vは、それが4mm−1以下である場合に、小さいと見なされてもよい。 In certain embodiments, regardless of electrode shape, an important factor affecting ignitability is the surface area to volume ratio (S / V), which is between the electrode surface area and the gap volume limited between the surfaces. Defined as the ratio of In certain embodiments, for the same flame kernel size, the heat loss to the surface of the electrode increases in proportion to the size of the surface. The following are some examples of electrode gaps, their S / V, and how they ultimately affect flame kernel propagation. In some embodiments, the S / V may be considered small if it is 4 mm −1 or less.

ある実施形態において、図1a〜図1cの画像は、スパークプラグにおけるMSP(マルチトーチスパークプラグ)100型スパークギャップ用のS/Vを示す。スパークプラグの幾何学的形状は、シェルが接地電極120として働くので、この場合に示されている。画像で分かるように、中心電極110は、非常に小さく、シェルへスパークする。この幾何学的形状は、小さなS/V(約4mm−1)を有するものとして分類することができる。ある実施形態において、低S/V電極の幾何学的形状を有する別の例示的なスパークプラグは、約1.2mm−1S/Vを備え、図2a〜図2cで示されているような、主電極210及び二重バー形状接地電極220を含む二重バー200型スパークギャップである。 In one embodiment, the images of FIGS. 1 a-1 c show the S / V for an MSP (Multi Torch Spark Plug) 100 type spark gap in a spark plug. The spark plug geometry is shown in this case because the shell acts as the ground electrode 120. As can be seen in the image, the center electrode 110 is very small and sparks into the shell. This geometric shape can be classified as having a small S / V (about 4 mm −1 ). In certain embodiments, another exemplary spark plug having a low S / V electrode geometry comprises about 1.2 mm −1 S / V, as shown in FIGS. 2a-2c. , A double bar 200 type spark gap including a main electrode 210 and a double bar shaped ground electrode 220.

ある実施形態において、大きな電極S/Vを備えた電極ギャップの例は、限定するわけではないが、図3a〜図3cの環状型ギャップ300、図4a〜図4cの特定のJギャップタイプ型スパークプラグ400、及び図5a〜図5cの3プロング型ギャップ500を含んでもよい。図3a〜図3cは、主電極310及び環状接地電極320を表す。図4a〜図4cは、主電極410及びJ形接地電極420を示す。図5a〜図5cは、主電極510及びプロング型接地電極520を表す。Densoによって特許を取得されたこのJギャップはまた、ギャップのS/Vを減少させる際の助けとなるカソード(高電圧又は主電極)上の十字溝を有する。   In some embodiments, examples of electrode gaps with large electrodes S / V include, but are not limited to, the annular gap 300 of FIGS. 3a-3c, and the particular J gap type spark of FIGS. 4a-4c. It may include a plug 400 and the three-prong gap 500 of FIGS. 5a-5c. 3a-3c represent the main electrode 310 and the annular ground electrode 320. FIG. FIGS. 4 a-4 c show the main electrode 410 and the J-shaped ground electrode 420. 5a to 5c show the main electrode 510 and the prong-type ground electrode 520. FIG. This J-gap, patented by Denso, also has a cross groove on the cathode (high voltage or main electrode) that helps in reducing the S / V of the gap.

図6に示されているようなある実施形態において、二重バー型電極200及びJギャップ400の燃焼シミュレーションは、各設計のS/V比率が火炎核成長を支配することを確認する結果をもたらす。図6は、2つの異なるS/V比率プラグ設計用の火炎核成長シーケンスの比較を提供する。両方のプラグ用のスパークタイミング及びスパークエネルギーは、同じである。予想通りに、より小さなS/V比率(この場合には二重バー200)を備えた設計の火炎核は、より急速に成長する。何故なら、それが、より少ない熱損失を有し、そのエネルギーのより多くが、火炎伝搬の方へ行くことができるからである。   In one embodiment, as shown in FIG. 6, a double bar electrode 200 and J gap 400 combustion simulation results in confirming that the S / V ratio of each design dominates flame kernel growth. . FIG. 6 provides a comparison of flame nucleation sequences for two different S / V ratio plug designs. The spark timing and spark energy for both plugs are the same. As expected, flame kernels with designs with smaller S / V ratios (in this case, double bars 200) grow more rapidly. This is because it has less heat loss and more of its energy can go towards flame propagation.

ある実施形態において、図6に示されているシーケンスで得られた結果が、フローフィールドにもS/V以外の要因によっても影響されなかったことをさらに証明するために、同じプラグ型のギャップサイズを変更することによって調査が実行された。これは、実際にプラグのS/Vを変更する。このシミュレーション用に選択されたプラグは、3プロング500型だった。図7a〜図7b及び図8に示されているのは、2つの異なるギャップサイズ0.010”及び0.016”用の、同じスパークエネルギーを用いた火炎核530成長のシーケンスである。大きなS/V(7.8mm−1、小さなギャップ)は、電極に対してより高い熱損失を有し、より遅い火炎成長及びギャップから出るより小さな火炎核530サイズに帰着する。他方において、より大きなギャップサイズ(S/V=4.9mm−1)は、熱損失を低減し、火炎核530成長率を改善し、より大きな火炎核530サイズがギャップから出ることができるようにした。 In some embodiments, to further demonstrate that the results obtained with the sequence shown in FIG. 6 were not affected by factors other than the flow field or S / V, the same plug-type gap size was used. The survey was carried out by changing This actually changes the S / V of the plug. The plug selected for this simulation was a 3-prong 500 model. Shown in FIGS. 7a-7b and 8 is a sequence of flame kernel 530 growth using the same spark energy for two different gap sizes 0.010 "and 0.016". Large S / V (7.8 mm −1 , small gap) has higher heat loss to the electrode, resulting in slower flame growth and smaller flame kernel 530 size exiting the gap. On the other hand, a larger gap size (S / V = 4.9 mm −1 ) reduces heat loss, improves flame kernel 530 growth rate, and allows a larger flame kernel 530 size to exit the gap. did.

ある実施形態において、最適化用の一般的な基準は、フローフィールド速度用のスパーク波形、λ分布及び電極ギャップ設計を調整することを含んでもよい。ある実施形態において、スパーク波形は、ある点火性及び電極腐食基準を満たすように選択されてもよく、その基準は、点火性(性能)/プラグ寿命トレードオフと呼ばれてもよい。   In certain embodiments, general criteria for optimization may include adjusting the spark waveform, λ distribution, and electrode gap design for flow field velocity. In certain embodiments, the spark waveform may be selected to meet certain ignitability and electrode corrosion criteria, which may be referred to as an ignitability (performance) / plug life tradeoff.

ある実施形態において、点火性基準に関し、初期火炎核は、熱損失を最小化し、及び従って、消炎を最小化するために、ギャップ内を十分に素早く移動してもよい。これを達成するために、必要な空気力学的抵抗特性を提供するような適切なスパークサイズと同様に適切なフローフィールドが存在してもよい。ある実施形態において、スパークエネルギー送出率は、火炎核から電極表面への熱損失を相殺してもよい。   In certain embodiments, with respect to the ignitability criteria, the initial flame kernel may move sufficiently quickly through the gap to minimize heat loss and thus minimize extinction. To achieve this, there may be a suitable flow field as well as a suitable spark size to provide the necessary aerodynamic resistance characteristics. In certain embodiments, the spark energy delivery rate may offset the heat loss from the flame kernel to the electrode surface.

多くの高エネルギーシステムが、上記の点火性要件を満たすことが可能だが、この性能を達成するための設計トレードオフは、スパークプラグ寿命に否定的な影響を及ぼす可能性がある。ある実施形態において、スパーク最適化のために、スパークにおいて送出されるエネルギー率は、一貫した火炎核を生成するために十分に高くてもよい。ある実施形態において、スパークにおいて送出されるどんな過剰エネルギーも、どんな利益も提供せずに、プラグ寿命に否定的に影響する可能性がある。   Although many high energy systems can meet the above ignitability requirements, design tradeoffs to achieve this performance can negatively impact spark plug life. In certain embodiments, for spark optimization, the energy rate delivered in the spark may be high enough to produce a consistent flame kernel. In certain embodiments, any excess energy delivered in the spark can negatively affect plug life without providing any benefit.

ある実施形態において、特定の用途用のスパーク波形を最適化する例示的なプロセスが表示される。ある実施形態において、電極の摩耗率を損なうことなく、より薄い空気燃料比動作で燃焼安定性を増加させるスパーク波形を開発することが望ましい。ある実施形態において、図9の波形が用いられてもよく、その波形は、標準CPU95(低エネルギー)スパーク放電であってもよい。ある実施形態において、十分な移動時間(長い期間)を備えたより高いエネルギーが、所望の特性を満たす。プログラム可能な高エネルギーDEISが、必要なスパーク波形を生成するために用いられてもよい。   In certain embodiments, an exemplary process for optimizing a spark waveform for a particular application is displayed. In certain embodiments, it is desirable to develop a spark waveform that increases combustion stability with thinner air-fuel ratio operation without compromising electrode wear rates. In some embodiments, the waveform of FIG. 9 may be used, and the waveform may be a standard CPU 95 (low energy) spark discharge. In certain embodiments, higher energy with sufficient travel time (long duration) meets the desired properties. A programmable high energy DEIS may be used to generate the required spark waveform.

ある実施形態において、その用途に用いられるスパークプラグの電極ギャップのフローフィールドは、波形の形状を決定するために研究されてもよい。ある実施形態において、3プロング型ギャップ500が用いられてもよい。CFDシミュレーションが、特定の用途に特有のエンジンの幾何学的形状及びセッティングを用いて実行されてもよい。3つの異なるギャップ用のフローフィールドが、図10に示されている。それらは、上記で論じられたシミュレーション結果において観察されたものに似ている可能性がある。フローは、大きさと方向の両方において各接地電極に対して変化する。   In some embodiments, the flow field of the electrode gap of the spark plug used for the application may be studied to determine the shape of the waveform. In some embodiments, a three-prong gap 500 may be used. CFD simulations may be performed using engine geometry and settings specific to a particular application. The flow fields for three different gaps are shown in FIG. They may be similar to those observed in the simulation results discussed above. The flow varies for each ground electrode in both magnitude and direction.

ある実施形態において、各電極ギャップ用のλ分布の検査は、図11に示されているような3つの全てのギャップにおける比較的類似の分布を示してもよい。ある実施形態において、火炎核成長変動は、ほぼ、電極ギャップのフローフィールドの関数であってもよい。   In certain embodiments, examination of the λ distribution for each electrode gap may show a relatively similar distribution in all three gaps as shown in FIG. In some embodiments, the flame kernel growth variation may be approximately a function of the electrode gap flow field.

ある実施形態において、波形は、それが、約1〜5m/sの大きさを有するフローフィールドを備えて移動する十分に大きなスパークを生成するように、調整されてもよい。ある実施形態において、スパーク波形は、電極表面の距離を移動するほど十分に長くてもよい。火炎核がコアノーズの方へ移動し得るある実施形態において、混合気分布は、消炎を防ぐほど十分に豊富であってもよい。火炎核は、他のスパーク位置よりもゆっくり成長してもよいが、しかしこれは、この用途に特有の選択されたプラグ及びフローフィールドに固有であってもよい。   In certain embodiments, the waveform may be adjusted so that it generates a sufficiently large spark that moves with a flow field having a magnitude of about 1-5 m / s. In certain embodiments, the spark waveform may be long enough to move the distance of the electrode surface. In certain embodiments where the flame kernel may move toward the core nose, the mixture distribution may be sufficiently abundant to prevent quenching. The flame kernel may grow slower than other spark locations, but this may be specific to the selected plug and flow field specific to this application.

ある実施形態において、図12に示されている波形が用いられてもよい。それは、上記で概説した要件に基づいた特定の用途にとって最適な波形であり得る。電流振幅は、フローと共に移動する大直径のプラズマ柱を生成するほど十分に高くてもよい(100〜300mA)。持続時間は、スパークを包み込む火炎核が電極ギャップから出られるようにするほど十分に長くてもよい(1250μs)。ある実施形態において、エネルギー送出プロファイルは、電極腐食摩耗(プラグ寿命)を損ねることなく、火炎核成長を保持するようなものであってもよい。   In some embodiments, the waveform shown in FIG. 12 may be used. It can be the optimal waveform for a particular application based on the requirements outlined above. The current amplitude may be high enough (100-300 mA) to produce a large diameter plasma column that moves with the flow. The duration may be long enough (1250 μs) to allow the flame kernel enveloping the spark to exit the electrode gap. In certain embodiments, the energy delivery profile may be such that it maintains flame kernel growth without compromising electrode erosion wear (plug life).

ある実施形態において、スパーク放電は、一貫した火炎核成長を生成するように変化させることができる。ある実施形態において、スパーク波形最適化プロセスは、下記のステップに従ってもよい。
a.用途の要件及び制約を定義するステップ。
b.電極ギャップのフローフィールド及びλ分布を調査するステップ。
c.フローフィールド及び混合気分布の要件を満たすようにスパークを調整するために、プログラム可能な高エネルギーDC点火システムを用いるステップ。
d.点火性/プラグ寿命トレードオフを最適化するスパーク波形を設計するステップ。
In certain embodiments, the spark discharge can be varied to produce consistent flame nucleation. In certain embodiments, the spark waveform optimization process may follow the following steps.
a. Defining application requirements and constraints.
b. Examining the flow field and λ distribution of the electrode gap.
c. Using a programmable high energy DC ignition system to adjust the spark to meet the flow field and mixture distribution requirements.
d. Designing a spark waveform that optimizes the ignitability / plug life tradeoff.

ある実施形態において、スパーク電流は、図13に示されているような経時的に変化させてもよい。スパーク開始1310後に、スパーク電流は、約500〜600μsにわたって、約100mAのスパーク電流まで直線的に増加させることができ、約100mAのポイントで、スパーク電流における増加率を増加させることができる。1320で示されているように、火炎核は、最初にギャップ内を移動し、次に、火炎核がギャップの端に達した場合に、スパークは、1330で示されているようにギャップの外部に延びる。灰色のバー1340によって示されているように、ひとたび火炎核成長が始まると、スパーク電流の増加率は、低減されてもよい。当業者は、様々な時変スパーク電流プロファイルが、本発明の範囲から逸脱せずに可能であることを理解されよう。   In certain embodiments, the spark current may be varied over time as shown in FIG. After the start of spark 1310, the spark current can be increased linearly over a period of about 500-600 μs to a spark current of about 100 mA, and the rate of increase in spark current can be increased at a point of about 100 mA. As indicated at 1320, the flame kernel first travels within the gap, and then when the flame kernel reaches the end of the gap, the spark is external to the gap as indicated at 1330. Extend to. As indicated by the gray bar 1340, once flame kernel growth has begun, the rate of increase of the spark current may be reduced. Those skilled in the art will appreciate that various time-varying spark current profiles are possible without departing from the scope of the present invention.

図14a〜図14bに示されているように、従来の点火システムは、かなり減少するスパーク電流を有する。例えば、図14aに示されているように、従来の点火システムは、スパーク開始時に100mAで頂点に達し、その後、200μs内にゼロに直線的に減少するスパーク電流プロファイルを有する可能性がある。スパーク1410は、主電極1420と接地電極1430との間で生成されてもよいが、しかしスパークは、低電流及び短い放電期間故に、電極ギャップに沿って移動しない可能性がある。図14bは、スパーク電流がゼロに戻ってスパークが停止する前に、150mAのわずかにより高いピーク電流及び約300μsのスパーク期間を備えた別の従来のスパーク電流プロファイルを表示する。スパーク1410は、主電極1420と接地電極1430との間でTに生成されてもよいが、しかしスパーク1410は、不十分な電流及び放電期間故に、T(黄色)からT(オレンジ色)までの制限された移動を有する可能性がある。 As shown in FIGS. 14a-14b, conventional ignition systems have a significantly reduced spark current. For example, as shown in FIG. 14a, a conventional ignition system may have a spark current profile that reaches an apex at 100 mA at the start of the spark and then linearly decreases to zero within 200 μs. A spark 1410 may be generated between the main electrode 1420 and the ground electrode 1430, but the spark may not move along the electrode gap due to low current and short discharge duration. FIG. 14b displays another conventional spark current profile with a slightly higher peak current of 150 mA and a spark duration of about 300 μs before the spark current returns to zero and the spark stops. A spark 1410 may be generated at T 1 between the main electrode 1420 and the ground electrode 1430, but the spark 1410 may be from T 1 (yellow) to T 2 (orange due to insufficient current and discharge periods. ) May have limited movement up to.

ある実施形態において、時変スパーク電流点火システムを、スパークプラグ性能を向上させるために用いることができる。時変スパーク電流点火システムは、従来のスパークプラグと共に、又は2012年9月1日に出願された「ガス機関用の予燃焼室スパークプラグにおける消炎及び自己発火を低減しながら高出力火炎ジェットを達成するための方法及び装置(Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines)」の発明の名称の同時係属中の米国特許出願第13/602,148号、2013年6月25日に出願された「予燃焼室点火システム(Prechamber Ignition System)」の発明の名称の米国特許出願第13/997,680号、及び2013年3月12日に出願された「活性排気予燃焼室(Active Scavenge Prechamber)」の発明の名称の米国特許出願第61/778,266号(これらの出願の全ては、その全体において参照により本明細書に組み込まれる)に説明されているような予燃焼室スパークプラグと共に、用いられてもよい。図15に示されているように、時変スパーク電流は、示されているような長期間にわたるスパーク電流における連続的な増加故に移動する効率的なスパークを生成し得るかなり増加するスパーク電流を有してもよい。ある実施形態において、スパーク1510は、主電極1520と接地電極1530との間で生成され、かつ、図示のようにT(黄色)からT(オレンジ色)へ、T3(赤色)へと移動してもよい。 In certain embodiments, a time-varying spark current ignition system can be used to improve spark plug performance. Time-varying spark current ignition system achieves high power flame jet while reducing extinguishing and self-ignition with conventional spark plugs or filed on September 1, 2012 "pre-combustion chamber spark plugs for gas engines US patent application Ser. No. 13 / 602,148, co-pending the title of “Method and apparatus for achieving high power flame jets while reducing quenching and autoignition in prechamber spark plugs for gas engines” US patent application Ser. No. 13 / 997,680 entitled “Prechamber Ignition System” filed on June 25, 2013, and filed March 12, 2013, “ US patent application Ser. No. 61 / 778,266 entitled “Active Scavenge Prechamber” (All of these applications are incorporated in their entirety. With prechamber spark plug such as described in incorporated) herein by Oite reference, it may be used. As shown in FIG. 15, the time-varying spark current has a significantly increasing spark current that can produce an efficient spark that travels because of the continuous increase in the spark current over time as shown. May be. In some embodiments, a spark 1510 is created between the main electrode 1520 and the ground electrode 1530 and moves from T 1 (yellow) to T 2 (orange) and to T3 (red) as shown. May be.

図16に示されているようなある実施形態において、時変スパーク電流プロファイルの使用は、実質的により小さな火炎核1710の成長に帰着する、図17に示されているような従来のスパーク放電と比較して、はるかに強い火炎核1610の成長を生成し得る。   In one embodiment, as shown in FIG. 16, the use of a time-varying spark current profile results in a conventional spark discharge as shown in FIG. 17 resulting in substantially smaller flame kernel 1710 growth. In comparison, a much stronger flame kernel 1610 growth can be produced.

図18に示されているようなある実施形態において、時変スパーク電流プロファイルの使用は、図18の領域1810に示されているような安定して効率的な燃焼に帰着し得るのに対して、従来のスパーク電流プロファイルの使用は、図18の領域1820に示されているような不安定で非効率的な燃焼に帰着する可能性がある。   In some embodiments, such as that shown in FIG. 18, the use of a time-varying spark current profile can result in a stable and efficient combustion as shown in region 1810 of FIG. The use of a conventional spark current profile can result in unstable and inefficient combustion as shown in region 1820 of FIG.

図19に示されているようなある実施形態において、緑の点線1910によって表されている時変スパーク電流プロファイルの使用は、スパーク(又はアーク)移動故に、より低い電極ギャップ成長率を示し得る。対照的に、赤の点線1920によって表されている従来のスパーク電流プロファイルは、静止アーク(又はスパーク)故に、高い電極ギャップ成長率を有し得る。その結果、時変スパーク電流プロファイルの使用は、図19に示されているように、著しく向上されたスパークプラグ耐久性に帰着し得る。当業者は、スパーク又はアーク移動の文脈において、用語スパーク又はアークが、交換可能であることを理解されよう。   In certain embodiments, such as shown in FIG. 19, the use of a time-varying spark current profile represented by the green dotted line 1910 may indicate a lower electrode gap growth rate due to spark (or arc) movement. In contrast, the conventional spark current profile represented by the red dotted line 1920 may have a high electrode gap growth rate because of a static arc (or spark). As a result, the use of a time-varying spark current profile can result in significantly improved spark plug durability, as shown in FIG. One skilled in the art will appreciate that the term spark or arc is interchangeable in the context of spark or arc movement.

当業者は、前述のシステム及び方法が、限定するわけではないが、図20a〜図20cで示されている大きな表面積対体積率構成を含む様々なスパークギャップ構成と共に使用可能であることを理解されよう。   Those skilled in the art will appreciate that the systems and methods described above can be used with a variety of spark gap configurations, including but not limited to the large surface area to volume fraction configurations shown in FIGS. 20a-20c. Like.

上記の説明が多くの詳細を含み、かつ、ある例示的な実施形態が、説明されて添付の図面に図示されたが、かかる実施形態が、広範な本発明の単に実例であり、本発明の限定ではないこと、及び本発明が、図示され説明された特定の構造及び配置に限定されないことが、理解されるべきである。何故なら、上記で言及したように、様々な他の修正形態が、当業者に思い浮かぶからである。本発明は、本明細書で開示された異なる種類及び/又は実施形態からの要素の任意の組み合わせ又は副組み合わせを含む。   While the above description includes many details, and certain exemplary embodiments have been described and illustrated in the accompanying drawings, such embodiments are merely illustrative of the broad invention and It should be understood that this is not a limitation and that the present invention is not limited to the specific structures and arrangements shown and described. This is because, as noted above, various other modifications will occur to those skilled in the art. The present invention includes any combination or subcombination of elements from the different types and / or embodiments disclosed herein.

本発明が、その特定の実施形態に関連して説明されたが、様々な変更が行われ得、均等物が、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに代用され得ることが、当業者によって理解されるべきである。さらに、特定の状況、材料、物質の組成、方法、動作を本発明の目的、趣旨及び範囲に適合させるために、多くの修正が行われてもよい。全てのかかる修正形態は、本明細書に添付される特許請求の範囲内になるように意図されている。特に、本明細書で開示される方法は、特定の順序で実行される特定の動作に関連して説明されているが、これらの動作が、本発明の教示から逸脱せずに等価な方法を形成するために、組み合わされ、細分され、又は整理し直されてもよいことが理解されよう。従って、本明細書において特に指示されない限り、動作の順序及びグループ分けは、本発明の限定ではない。   Although the invention has been described with reference to specific embodiments thereof, various modifications can be made and equivalents depart from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It should be understood by those skilled in the art that they can be substituted without. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation, material, composition of matter, method, operation to the objective, spirit and scope of the present invention. All such modifications are intended to be within the scope of the claims appended hereto. In particular, although the methods disclosed herein have been described in connection with particular operations performed in a particular order, these operations are equivalent methods without departing from the teachings of the present invention. It will be understood that they may be combined, subdivided, or rearranged to form. Accordingly, unless otherwise indicated herein, the order of operations and grouping is not a limitation of the present invention.

Claims (31)

スパーク電流を変化させる方法であって、
1以上の電極ギャップを形成するために、主電極と、前記主電極からオフセットされた1以上の接地電極と、を含むスパークプラグを提供するステップと、
内燃機関の燃焼室内に前記主電極及び1以上の接地電極を配置するように前記スパークプラグを配置するステップと、
前記1以上の電極ギャップを通して燃料空気混合気のフローを導入するステップと、
前記燃料空気混合気を点火するために、前記1以上の電極ギャップの少なくとも1つにわたってスパーク電流を導入するステップと、
スパークチャネルを成長させるために前記スパーク電流を増加させるステップと、を含む方法。
A method of changing the spark current,
Providing a spark plug including a main electrode and one or more ground electrodes offset from the main electrode to form one or more electrode gaps;
Disposing the spark plug to dispose the main electrode and one or more ground electrodes in a combustion chamber of an internal combustion engine;
Introducing a flow of fuel-air mixture through the one or more electrode gaps;
Introducing a spark current across at least one of the one or more electrode gaps to ignite the fuel-air mixture;
Increasing the spark current to grow a spark channel.
前記スパーク電流を増加させるステップが、前記スパーク電流を漸進的に増加させるステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein increasing the spark current comprises gradually increasing the spark current. 前記スパーク電流を増加させるステップが、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein increasing the spark current comprises increasing the spark current at a rate that is approximately proportional to a rate of increase in spark movement. 前記スパーク電流を増加させるステップが、燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein increasing the spark current comprises increasing the spark current based at least in part on a flow characteristic of a fuel-air mixture. 前記フロー特性がフロー運動量における変動を含む、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the flow characteristic comprises a variation in flow momentum. 前記スパーク電流を増加させるステップが、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein increasing the spark current comprises increasing the spark current at a rate approximately proportional to an increase in flow momentum. 前記スパーク電流を増加させるステップが、前記1以上の電極ギャップの少なくとも1つの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein increasing the spark current comprises increasing the spark current based at least in part on at least one geometric characteristic of the one or more electrode gaps. 前記スパーク電流を増加させるステップが、前記スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で、前記スパーク電流を増加させるステップを含む、請求項1に記載の方法。   2. Increasing the spark current comprises increasing the spark current over a distance traveled by the spark channel at a ratio approximately proportional to a variation in electrode gap surface area to volume ratio. Method. 前記主電極及び前記1以上の接地電極が、約3.0mm−1より大きな電極表面積対電極ギャップ体積率を定義する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the main electrode and the one or more ground electrodes define an electrode surface area to electrode gap volume ratio greater than about 3.0 mm −1 . 前記1以上の電極ギャップが、燃料空気混合気のほぼ均一なフローを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the one or more electrode gaps comprise a substantially uniform flow of a fuel air mixture. 前記ほぼ均一なフローが、約3m/sの最低速度を有する、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the substantially uniform flow has a minimum velocity of about 3 m / s. 電極表面温度を判定するステップと、
前記電極表面温度に応じて前記スパーク電流量を調整するステップと、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Determining an electrode surface temperature;
The method according to claim 1, further comprising adjusting the amount of spark current according to the electrode surface temperature.
前記燃焼室における圧力増加を判定するステップと、
前記圧力増加が所定の閾値を超える場合に、前記スパーク電流の印加を打ち切るステップと、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Determining a pressure increase in the combustion chamber;
The method of claim 1, further comprising: terminating application of the spark current if the pressure increase exceeds a predetermined threshold.
前記電極ギャップにおける火炎核成長を判定するステップと、
前記火炎核成長が所定の閾値を超える場合に、前記スパーク電流の印加を打ち切るステップと、をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Determining flame nucleation in the electrode gap;
2. The method of claim 1, further comprising: terminating the application of the spark current when the flame nucleation exceeds a predetermined threshold.
前記スパーク電流を増加させるステップが、約150mA未満の開始から約150mAを超えるまで前記スパーク電流を増加させ、前記1以上の電極ギャップにおいて約3m/s未満のフロー速度を生成するステップを含み、前記1以上の電極ギャップが、約3mm−1より大きな表面積対体積率を含む、請求項1に記載の方法。 Increasing the spark current includes increasing the spark current from an onset of less than about 150 mA to greater than about 150 mA to produce a flow rate of less than about 3 m / s in the one or more electrode gaps; The method of claim 1, wherein the one or more electrode gaps comprise a surface area to volume ratio greater than about 3 mm −1 . 予燃焼室容積を囲む外面及び内面と、
燃料空気混合気を前記予燃焼室容積に導入するために、前記外面と前記内面との間に通じる1以上の孔部と、
前記予燃焼室容積内に配置された主電極と、
1以上の電極ギャップにわたって時変スパーク電流を導入するように構成された前記1以上の電極ギャップを形成するために、前記予燃焼室容積内に配置され、かつ、前記主電極からオフセットされた1以上の接地電極と、を備える予燃焼室スパークプラグ。
An outer surface and an inner surface surrounding the precombustion chamber volume;
One or more holes communicating between the outer surface and the inner surface for introducing a fuel-air mixture into the precombustion chamber volume;
A main electrode disposed within the precombustion chamber volume;
1 disposed within the precombustion chamber volume and offset from the main electrode to form the one or more electrode gaps configured to introduce a time-varying spark current across the one or more electrode gaps. A pre-combustion chamber spark plug comprising the above ground electrode.
前記時変スパーク電流が、漸進的に増加するスパーク電流を含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current comprises a progressively increasing spark current. 前記時変スパーク電流が、スパーク移動の増加率にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current comprises a spark current that increases at a rate approximately proportional to a rate of increase in spark travel. 前記時変スパーク電流が、空気又は燃料空気混合気のフロー特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current comprises a spark current that increases based at least in part on the flow characteristics of the air or fuel-air mixture. 前記フロー特性が、フロー運動量における変動を含む、請求項19に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 19, wherein the flow characteristic includes a variation in flow momentum. 前記時変スパーク電流が、フロー運動量の増加にほぼ比例する比率で増加するスパーク電流を含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current comprises a spark current that increases at a rate approximately proportional to an increase in flow momentum. 前記時変スパーク電流が、前記電極スパークギャップの幾何学的特性に少なくとも部分的に基づいて増加するスパーク電流を含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current comprises a spark current that increases based at least in part on a geometric characteristic of the electrode spark gap. 前記時変スパーク電流が、前記スパークチャネルが移動する距離にわたって、電極ギャップの表面積対体積率の変動にほぼ比例する比率で増加する、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the time-varying spark current increases over a distance traveled by the spark channel at a rate approximately proportional to a variation in electrode gap surface area to volume fraction. 前記主電極及び前記1以上の接地電極が、約3.0mm−1を超える電極ギャップ表面積対体積率を定義する、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。 The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the main electrode and the one or more ground electrodes define an electrode gap surface area to volume ratio of greater than about 3.0 mm −1 . 前記1以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気のほぼ均一なフローをさらに含む、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The precombustion chamber spark plug of claim 16, further comprising a substantially uniform flow of a fuel air mixture through the one or more electrode gaps. 前記ほぼ均一なフローが、約3m/sの最低速度を有する、請求項25に記載の予燃焼室スパークプラグ。   26. A pre-combustion chamber spark plug according to claim 25, wherein the substantially uniform flow has a minimum velocity of about 3 m / s. 前記時変スパーク電流が、前記1以上の電極ギャップを通る燃料空気混合気のフローの速度の大きさに少なくとも部分的に基づいた時間、及び電極ギャップ表面積対体積率と共に変化する、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   17. The time-varying spark current varies with time, based at least in part on the magnitude of the velocity of fuel-air mixture flow through the one or more electrode gaps, and electrode gap surface area to volume ratio. Pre-combustion chamber spark plug as described. 前記時変スパーク電流が、約150mA未満で始まり、かつ、約150mAを超えて終了し、前記1以上の電極ギャップにおけるフロー速度が約3m/s未満であり、電極ギャップ表面積対体積率が約3mm−1より大きい、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。 The time-varying spark current begins at less than about 150 mA and ends at greater than about 150 mA, the flow rate at the one or more electrode gaps is less than about 3 m / s, and the electrode gap surface area to volume ratio is about 3 mm. The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, greater than −1 . 前記時変スパーク電流の大きさが前記電極表面温度に応じて調整される、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug according to claim 16, wherein the magnitude of the time-varying spark current is adjusted according to the electrode surface temperature. 前記スパーク電流が、前記圧力増加が所定の閾値を超える場合に打ち切られるように構成される、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the spark current is configured to be terminated when the pressure increase exceeds a predetermined threshold. 前記スパーク電流が、前記火炎核成長が所定の閾値を超える場合に打ち切られるように構成される、請求項16に記載の予燃焼室スパークプラグ。   The pre-combustion chamber spark plug of claim 16, wherein the spark current is configured to be terminated when the flame kernel growth exceeds a predetermined threshold.
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